LED的光谱分布可调光源的设计

1、第16卷第11期2008年11月光学精密工程Optics and Precision EngineeringV01.16No.1lNOV.2008文章编号1004-924X(20081卜206005LED的光谱分布可调光源的设计陈风,袁银麟,郑小兵,吴浩宇(中国科学院安徽光学精密机械研究所遥感研究室,安徽合肥230031摘要:介绍了一种光谱分布可调光源的设计,该光源由积分球和大量不同颜色的LED组成。在町见波段,这种光源能产生不同光谱曲线。可以模拟很多不同光源的光谱分布。该项设计通过仿真使光源的光谱分布模拟目标光源的光谱分布,并设计了电源控制箱精确地控制每个LED模块。光源的面非均匀性为0.5

2、3%,角度特性在±10。以内。最大偏差为0.77%。这种新型光源在光辐射测量中可以作为一种传递标准。关键词:发光二极管;可调光源;光辐射测量;光谱分布中图分类号:TN312.8文献标识码:ADesign of spectral tunable LED light sourceCHEN Feng,YUAN Yinlin。ZHENG Xiaobing,WU Haoyu(Remote Sensing Department,Anhui Institute0厂Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei230031,Ch

3、 inaAbstract:A design of spectral tunable IAght Emitting Diode(I.EDlight source composed of an integrating sphere and a large number of LEDs was described.The source was designed tO produce different spectral distributions in the visible region.and it could simulate the spectral distributions for va

4、rious light sources.A series of simulations were conducted to predict the performance of spectral distribution of the designed tunable source and a power control box in the source was designed to con-trol every LED module accurately.Experimental results show that the uniformity of the source is0.53%

5、,and the performance of the angle is0.77%in±10。.This new type of source can be used asa transfer standard for radiometric application.Key words:Light Emitting Diode(LED;tunable source;radiometry;spectral distribution引-口光谱辐射观测是光学遥感的最重要手段之一。在指定的波段内精确测鼙目标的辐射信息,并结合数值算法模型,可以得到目标的物理参数。近年来的对地观测实践中,针对大

6、气、海洋、陆地、植被等日标的观测都广泛采用了光谱辐射观测手段,其数据的准确程度将在很大程度上影响天气预报、气候研究和环境监测等领域的应用效果。根据光谱带宽的不同,光学遥感器=l3的种类包括了全色、多光谱、高光谱,乃至近年发展迅速的超收稿日期:2008-0219;修订日期:20080321.基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目(No.20060109A2001第i1期陈风,等:LED的光谱分布可调光源的设计光谱光学遥感器。获取光谱辐射观测的准确数据,首先依赖于对光学遥感器进行光谱辐射响应的绝对定标。定标的目的是建立光学遥感器中每个探测元所输出信号的星化值与该探测元对应的目标辐射亮度值之

7、间的定量关系。光学遥感器辐射定标足遥感数据量化处理中的最基本环节,光学遥感器的定标精度直接影响到遥感数据的可靠性和精度。对于窄带的遥感器,光谱不匹配产生的相对误差对测量的精度影响很小,可以忽略不计。但是对于宽带的遥感器,就很难避免相对误差对测量精度造成的影响。因此,在实验室定标中,尽可能地模拟星上环境,使定标光源尽可能接近太阳的光谱曲线,使之无论是在实验室定标还是星上定标,都可以模拟接近太阳的光谱分布,对于光学遥感器测量数据精度的提高能起到关键的作用。定标光源21和目标光源光谱匹配问题对于测量仪器的测量精度影响很大。因此,定标光源和目标光源的光谱分布应尽可能的相似,这样测量误差口会减小,测量精

8、度会提高。现在普遍使用的定标光源积分球4中的发光介质是标准灯,其光谱分布相当于CIE标准照明体A。光源峰值波长在近红外,大约为950nm,而在蓝色和紫外波段范围内,标准灯的能量相对较弱,这样的光谱能量分布会使对这个波段的仪器定标产生误差。因此,需要一种新型的光源可以作为传统光源的补充。本文介绍了一种基于发光二极管(LED为介质的光谱分布可调的光源,这种光源光谱覆盖整个可见波段,可以模拟太阳光谱分布,弥补了标准灯在可见波段能量较弱的缺点。此外,它还可以模拟不同光源的光谱分布,如显示的红色,绿色,蓝色和白色;此外,还能模拟信号灯,放电灯等。因此,在定标时,使用这种光源会非常有效和方便。本文主要就光

9、源的没计做了较详细的论述。2总体设计光源是一个积分球,积分球中安装了很多的LED,这些LED的峰值波长和光谱分布都不相同,工作原理如图1所示。积分球中安装了几个LED光学模块,每一个光学模块分别安装了36个I.ED。这些LED由一个电脑控制的72通道的电源控制器来驱动,72通道的电源控制器可以精确地控制每一个通道上I,ED的电流,冈此可以保证光源模拟目标光源光谱分布的准确性。同时,一个光纤光谱仪实时地监测积分球输出的辐射能量及光谱分布I-5,反馈到电脑中并记录下来,电脑通过软件处理计算模拟光谱和目标光谱的差异,随之计算出相应的驱动电流,再通过电源控制器调节各通道上的电流,从而得到与目标光谱相似

10、的光潜曲线。图1光源原理图Fig.1Sketch of source principle3光源的模拟为了证明多种类型LED的发光光谱组合可以模拟¨13不同光源的光谱分布,本文进行了仿真模拟。典型的LED8光谱分布近似于高斯分布函数,LED的半高宽度(FWHM一般在20nm 左右,因此,选择带宽为20nm的高斯分布函数作为LED的光谱分布曲线。在380780nm,选择峰值波长间隔为5,lo,20nm。这样就分别需要80,40,20个LED来模拟目标光谱分布曲线。本文提出一种优化算法,这种算法通过模拟,计算得出每种颜色LED相应的电流值。780n(J:l,i=(sT(A一FKi.s。(A

11、2一min,丽鬲(1其中,ST(A足目标光谱分布曲线,S。(A为LED 光谱分布曲线,K,为电流值。由此,上述物理问题可归结为数学问题,即求二乘残差函数(A,i最优化解的问题,通过这种方法可以得出使两条光谱曲线最接近的系数K,。利用数值分析工具计算得到每一种颜色LED相应的电流值。调节光学精密工程第16卷电流的大小控制光源的光谱分布曲线,使模拟光谱与目标光谱相似,从而达到设计要求。这里介绍了一种评价光谱模拟效果的方法,即求目标光谱与模拟光谱之间差值的绝对值与目标光谱的比,其表达式如下:780.nI ST(A一K。Si(AJP=型生而F二一.(2>:sT(A丽通过参数P可以评估光源模拟光谱

12、的效果,P值越小,两条光谱的相似度越高。C.宴兰皂皇.置量芑&譬焉面出图2太阳光谱和光源光谱(LED间隔5nm Fig.2Sun spectral distribution and source spectral distribution(5nm LED intervals图3标准灯光谱和光源光谱(LED问隔5nm Fig.3Lamp spectral distribution and source spectral distribution(5nm LED intervals图2,图4,图6显示了用光源模拟可见波段的太阳光谱分布,它们分别是峰值波长间隔5, 10,20nm时光谱模拟的

13、效果。图3,图5,图7显示了用光源模拟标准灯的光谱分布。它们也分别是峰值波长间隔5,10,20nm时光谱模拟的效果。根据公式(2计算可以得到用80个LED模拟太阳和标准灯的光谱分布时,参数P的值等于图4太阳光谱和光源光谱(LED间隔10rim Fig.4Sun spectral distribution and source spectral distribution(10nm I,ED intervals图5标准灯光谱和光源光谱(LED问隔10nm Fig.5I.amp spectral distribution and source spectral distribution(10nm L

14、ED intervals图6太阳光谱和光源光谱(LED间隔20nm Fig.6Sun spectral distribution and source spectral dist“bution(20nm LED intervals6.3×10,40个I.ED模拟太阳和标准灯的光潜分布时,参数P的值等于1.4×lO,20个LED 模拟太阳和标准灯的光谱分布时,参数P的值等于3.1×10。通过上图以及计算结构可以看出,LED种类越多,峰值波长间隔越小,光谱模拟的相似度越高。匣第11期陈风,等:LED的光谱分布可调光源的设计暑善兽鲁弓鼍专兰竽焉岂图7标准灯光谱和光源光谱

15、(LED间隔20rimFig.7Lamp spectral distribution and source spectral distribution(20tim LED intervals4结构设计光谱可调光源的结构设计主要由积分球设计和LED光学模块设计两部分组成。4.1积分球设计光谱可调光源主要用于遥感器的定标,遥感器大多以太阳或反射太阳光作为工作时的光源,因此设计光源输出光谱辐亮度接近大气层外一个太阳常数。根据辐亮度传递公式,可以计算出积分球的尺寸:L_罴。F-p者(丽,(3。兀A l1一厂7其中,A为积分球内表面积;f为积分球的开口比;P为积分球反射率。根据计算,选择了直径为250m

16、m的积分球,其出口直径为100mm。积分球的结构如图8所示:图8积分球结构图Fig.8Mechanical structure of integrating sphere4.2LED光学模块设计LED光学模块设计是光源结构设计的重要组成部分。几组光学模块安装了从紫色到红色很多种类型的LED,这些色彩丰富的LED可以使模拟光谱分布更接近目标光谱分布。光学模块的设计要求LED可以方便地拆卸和安装。如图9所示,LED光学模块采用了圆形设计,光学模块上LED安装孔呈圆形放射状分布。由于积分球内部没有安装挡板,光学模块外沿高出LED的安装位置,这样的设计就好像积分球中安装了挡板,可以使得LED发出的光不

17、能直接照射到积分球出光口,避免对测量的结果产生影响。图9LED光学模块结构图Fig.9Mechanical structure of LED optical head5电源控制箱的设计电源控制箱9是光源重要的组成部分,它可以给每一路LED模块提供稳定的电流,并可以精确地调节每一路电流的大小。电源控制箱通过上位机控制,上位机控制DA输出卡,输出的电压经过v/I转换电路转化成电流并稳定输出给每一路LED模块,使它能够稳定发光,上位机可以通过IO开关控制实现每一路LED的自动开关。为了保证每一路上电流的准确性,在电路中加入了AD采集电路,通过AD采集可以实时监测每一路LED模块的电流情况,另外还有一

18、组稳压电源给V/I转换电路供电,以保证其正常的工作。电路设计原理图如图lO所示:2064光学精密工程第16卷图10电源控制箱原理图Fig.10Principle of power control box 参考文献:6结论这种光谱分布可调的光源设计采用了新型的发光二极管作为发光介质,通过多种LED发光光谱组合成不同的光谱分布。建立了光源的数学模拟算法,通过模拟仿真,证实了光源设计的正确性。设计了电源控制箱,采用自动控制,精确调节LED模块上电流的大小,并通过监测电路实时监测光源电流。这种光源通过精确控制每一个LED模块的电流使光源产生不同光谱分布,可以模拟很多不同光源的光谱分布。在光辐射测量中,

19、这种光谱分布可调的光源会成为更为有效,便捷的光源。13任建伟,万志,李宪圣,等.空间光学遥感器的辐射传递特性与校正方法J.光学精密工程,2007,15(8:11861190.REN J W,WAN ZH,l,1X SH。et a1.Radiation transfer characteristic and calibrating method for space optical remote sensorJ.Opt.Precision Eng.,2007,15(8:1186一1190.(in Chinese2张以谟.应用光学M.北京:机械工业出版社.1988.ZHANG Y M.Applied

20、 OpticsM.Beijing:China Machine Press,1988.(in Chinese3陈风,郑小兵.光谱非匹配对于光学遥感器定标精度影响的分析J.光学精密工程,2008,16(3:415419.CHEN F,ZHENG X B.Influence of remote sensor calibration precision by source has different spectrumJ.Opt.Precision Eng.,2008,16(3:415419.(in Chinese4王淑荣,刑进,李福田.利用积分球光源定标空间紫外遥感光谱辐射计J.光学精密工程,2006

21、,14(2:185190.WANG SH R,XING J,I,l F T.Spectral radiance responsivity calibration of ultraviolet remote sensing spectroradiometer in space using integrating sphereJ.Opt.Precision Eng.,2006,14(2:185-190.(in Chinese53BROWN S W,SANTANA C,EPPEI。DAUER G P.Development of a tunable LED-based colorimetric so

22、urceJ.,.Res.Natl.Inst.Stand,Technol,2002,107(4:363371.63FRYC I,BROWN S W,OHNO Y.Spectral matching with an LED-based spectrally tunable sourcerJ.SPIE, 2005,5941:594111.1-594111.9.73FRYC I,BROWN S W,EPPELDAUER G P.LED-based spectrally tunable source for radiometric。photometric and colorimetric applica

23、tionsJ.0pt.Eng,2005,44(11:111309111316.8许文海,赵欢,芦永军.LED阵列式紫外固化光源光学系统设计J.光学精密工程,2007,15(7:10321037.XU W H,ZHAO H,LU Y J.Design of an optical system for UV curing source with LED arrayJ.Opt.P卯fision Eng.。2007,15(7:10321037.(in Chinese9FRYC I,BROWN S,OHNO Y.Development of a spectrally tunable calibratio

24、n source fordisplaycolorimetersJ.Lightmetry,2004(4:2022.作者简介:陈风(1977-。男,博士研究生.主要从事光学精确测量的先进方法与仪器、卫星光学传感器的高精度定标等方面的研究。Email:fchenaiofm.ac.ca导师简介:郑小兵(1969一,男,博士.研究员,主要从事光辐射测量的先进方法与仪器、卫星光学传感器的高精度定标,光学遥感和光学海洋学等方面的研究。Email:xbzhengaiofm.ae.enLED的光谱分布可调光源的设计 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次数： 陈风， 袁银麟， 郑小兵，

25、吴浩宇， CHEN Feng， YUAN Yin-lin， ZHENG Xiao-bing， WU Hao-yu 中国科学院,安徽光学精密机械研究所,遥感研究室,安徽,合肥,230031 光学精密工程 OPTICS AND PRECISION ENGINEERING 2008，16(11 2次 参考文献(9条 1.任建伟.万志.李完圣 空间光学遥感器的辐射传递特性与校正方法期刊论文-光学精密工程 2007(08 2.张以谟 应用光学 1988 3.陈风.郑小兵 光谱非匹配对于光学遥感器定标精度影响的分析期刊论文-光学精密工程 2008(03 4.王淑荣.刑进.李福田 利用积分球光源定标空间紫外

26、遥感光谱辐射计期刊论文-光学精密工程 2006(02 5.BROWN S W.SANTANA C.EPPELDAUER G P Development of a tunable LED-based colorimetric source 2002(04 6.FRYC I.BROWN S W.OHNO Y Spectral matching with an LED-based spectrally tunable source 2005 7.FRYC I.BROWN S W.EPPELDAUER G P LED-based spectrally tunable source for radiometric,photometric and colorimetric appl